JP2015002645A - 発電機制御装置および発電制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】起動専用の回路を設けずに発電機の起動を行う。【解決手段】実施形態の発電機制御装置は、交流電圧を出力する永久磁石発電機に電気的に接続されるインバータ回路、およびインバータ回路に電気的に接続される制御回路を備える発電機制御装置であって、インバータ回路および制御回路は、回転駆動した永久磁石発電機から電源を供給される。制御回路は、回転駆動した永久磁石発電機からインバータ回路に供給される電気量に基づいて、永久磁石発電機の出力制御が開始可能であると判定したときに、永久磁石発電機の出力制御のためのインバータ回路で生成する交流の電気量を演算する。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、発電機制御装置および発電制御方法に関する。

一般に、巻線形回転子を有する発電機を起動するときには、外部電源により初期励磁を行う。
一方、外部電源のない状態から発電機の起動を行う、いわゆるブラックスタートをさせるときは、ブラックスタート専用の初期励磁回路を設けたり、初充電回路を使用して発電機の電圧を一定以上まで立ち上げたりする。

特許第２８５６８９８号公報

上述したように発電機をブラックスタートさせるためには、初期励磁回路や初充電回路といった起動専用の回路を設ける必要があった。具体的には、初期励磁回路では起動用の発電機などが用いられ、初充電回路では起動用のバッテリーなどが用いられる。

このように、発電機の回転による発電のみで制御運転を開始することができず、外部電源やバッテリーの無い状態から発電して電力を供給することができないと、その分、発電設備の設置、運用、保守が煩雑化し、これらに関わる費用と作業にかかる負担は無視できない。

本発明が解決しようとする課題は、起動専用の回路を要することなく発電機の起動を行うことが可能な発電機制御装置および発電制御方法を提供することにある。

実施形態の発電機制御装置は、交流電圧を出力する永久磁石発電機に電気的に接続されるインバータ回路、およびインバータ回路に電気的に接続される制御回路を備える発電機制御装置であって、インバータ回路および制御回路は、回転駆動した永久磁石発電機から電源を供給され、制御回路は、回転駆動した永久磁石発電機からインバータ回路に供給される電気量に基づいて、永久磁石発電機の出力制御が開始可能か否かを判定する制御開始判定手段と、出力制御が開始可能であると制御開始判定手段により判定したときに、永久磁石発電機の出力制御のためのインバータ回路で生成する交流の電気量を演算する制御演算手段とをもつ。

本発明によれば、起動専用の回路を要することなく発電機の起動を行うことができる。

第１の実施形態における発電機制御装置の構成例を示す図。 第１の実施形態における発電機制御装置のインバータ回路および制御回路の機能構成例を示すブロック図。 第１の実施形態における発電機制御装置の動作手順の一例を示すフローチャート。 第２の実施形態における発電機制御装置の構成例を示す図。 第２の実施形態における発電機制御装置のインバータ回路および制御回路の機能構成例を示すブロック図。 第２の実施形態における発電機制御装置による開閉器の制御について表形式で示す図。 第２の実施形態における発電機制御装置の動作手順の一例を示すフローチャート。 第３の実施形態における発電機制御装置の構成例を示す図。 第３の実施形態における発電機制御装置のインバータ回路および制御回路の機能構成例を示すブロック図。 第３の実施形態における発電機制御装置による開閉器の制御について表形式で示す図。 第３の実施形態における発電機制御装置の動作手順の一例を示すフローチャート。 第４の実施形態における発電機制御装置の構成例を示す図。 第５の実施形態における発電機制御装置の構成例を示す図。 第５の実施形態における発電機制御装置による開閉器の制御について表形式で示す図。 第５の実施形態における発電機制御装置の動作手順の一例を示すフローチャート。 第６の実施形態における発電機制御装置の構成例を示す図。 第６の実施形態における発電機制御装置のインバータ回路および制御回路の機能構成例を示すブロック図。 第６の実施形態における発電機制御装置による開閉器の制御について表形式で示す図。 第６の実施形態における発電機制御装置の動作手順の一例を示すフローチャート。 第７の実施形態における発電機制御装置の構成例を示す図。 第７の実施形態における発電機制御装置のインバータ回路および制御回路の機能構成例を示すブロック図。 第７の実施形態における発電機制御装置による開閉器の制御について表形式で示す図。 第７の実施形態における発電機制御装置の動作手順の一例を示すフローチャート。 第８の実施形態における発電機制御装置の構成例を示す図。 第８の実施形態における発電機制御装置の発電出力用インバータ回路および発電出力用制御回路の機能構成例を示すブロック図。 第８の実施形態における発電機制御装置の動作手順の一例を示すフローチャート。 第９の実施形態における発電機制御装置の構成例を示す図。 第９の実施形態における発電機制御装置の発電出力用インバータ回路および発電出力用制御回路の機能構成例を示すブロック図。 第９の実施形態における発電機制御装置の動作手順の一例を示すフローチャート。

以下、各実施形態について図面を用いて説明する。

（第１の実施形態）
まず、第１の実施形態について説明する。
図１は、第１の実施形態における発電機制御装置の構成例を示す図である。
図１に示すように、第１の実施形態における発電機制御装置１には永久磁石発電機（ＰＭＧ（Permanent Magnet Generator））２が電気的に接続される。永久磁石発電機２は、図示しない回転軸に回転が加えられて回転駆動することにより、交流電圧を出力する。

発電機制御装置１は、交流回路３と、インバータ（ＩＮＶ）回路４と、制御回路５と、コンデンサ７と、直流回路８とを有する。
インバータ回路４の交流側端子は、交流回路３を介して永久磁石発電機２に電気的に接続される。インバータ回路４の直流側端子からの直流出力は、直流回路８を介して発電出力９として外部に出力される。コンデンサ７は直流回路８内に設けられる。

図２は、第１の実施形態における発電機制御装置のインバータ回路および制御回路の機能構成例を示すブロック図である。
図２に示すように、インバータ回路４は、電気量検出部４ａを有する。この電気量検出部４ａは、インバータ回路４を通過する交流と直流の電気量をそれぞれ検出する。

また、図２に示すように、制御回路５は、制御開始判定部５ａ、制御開始指令部５ｂ、制御演算部５ｃを有する。この制御回路５はインバータ回路４に電気的に接続される。インバータ回路４に電源が供給された場合は、この電源が制御回路５にも供給される。インバータ回路４の電気量検出部４ａは、制御回路５が有するようにしても良い。

制御開始判定部５ａは、インバータ回路４の電気量検出部４ａで検出した直流電圧の値が、永久磁石発電機２からの出力の制御（出力制御）が開始できる値であるか否かを判定する。永久磁石発電機２からの出力制御が開始できる値は、下限値から上限値までの一定の幅を有する。

制御開始指令部５ｂは、出力制御を開始できると判定した場合、つまり直流電圧の値が永久磁石発電機２からの出力制御が開始できる値であると判定した場合に、インバータ制御開始指令を制御演算部５ｃに送る。

永久磁石発電機２で発電する電力を最適化するために、制御演算部５ｃは、制御開始指令部５ｂからの指令に応じて、永久磁石発電機２の出力制御のための、インバータ回路４で生成する交流の電気量の条件を演算する。制御演算部５ｃは、この演算した条件に応じた制御のための制御信号６をインバータ回路４に送る。

このように構成された第１の実施形態において、発電機制御装置１は、永久磁石発電機２と電気的に接続されている以外にインバータ回路４や制御回路５に電源を供給する手段を持たない。つまり、発電機制御装置１は、インバータ回路４や制御回路５に電源を供給するための制御用電源回路は有していない。

図３は、第１の実施形態における発電機制御装置の動作手順の一例を示すフローチャートである。
永久磁石発電機２は、巻線形回転子を有する発電機と異なり界磁電源が必要ない。このため、例えば水車や風車などの自然エネルギーによる原動機で永久磁石発電機２の回転軸が回転を与えられることで回転駆動すると、この回転数に応じた電圧が永久磁石発電機２の発電機端子に発生する（ステップＳ１）。

永久磁石発電機２の発電機端子に電圧が発生すると、永久磁石発電機２から交流回路３を通じてインバータ回路４に交流の電力が供給され、このインバータ回路４と制御回路５に電源が供給される（ステップＳ２）。

インバータ回路４は、交流から直流への整流を行うことと、スイッチングによる直流から交流の変換を行うことが可能な素子を有する。インバータ回路４は、永久磁石発電機２から交流が供給されると、この交流を直流に整流して直流回路８のコンデンサ７を充電する（ステップＳ３）。

コンデンサ７が充電されることによって、直流回路８の電圧としての直流部電圧の値が永久磁石発電機２の出力制御が開始可能な値になったことを制御回路５の制御開始判定部５ａにより判定すると（ステップＳ４）、制御回路５の制御開始指令部５ｂは、インバータ制御開始指令を制御演算部５ｃに送る（ステップＳ５）。

制御回路５の制御演算部５ｃは、インバータ制御開始指令を入力すると、制御信号６をインバータ回路４に送って、このインバータ回路４の素子のスイッチングを制御する。この制御により、インバータ回路４は、コンデンサ７に充電された直流から、制御信号６に応じた交流を生成することができる。

インバータ回路４で生成される交流の周波数や電流によって、永久磁石発電機２の回転数やトルクを制御できる。このように永久磁石発電機２を制御信号６に基づいて制御することで、この永久磁石発電機２で発電する電力の出力制御を開始することができる（ステップＳ６）。

永久磁石発電機２で発電された電力はインバータ回路４を通して交流から直流に整流されて、制御された発電出力９として直流回路８から得ることができる（ステップＳ７）。以下、この発電出力９を得るためにインバータ回路４の素子のスイッチングを制御する事をインバータ制御と称する。

このように、第１の実施形態によれば、永久磁石発電機２の回転による発電に基づいてブラックスタートを行って、発電出力を制御することが可能な発電機制御装置を得ることができる。

第１の実施形態の様に、発電機の回転による発電のみで制御運転を開始することができれば、外部電源やバッテリー、起動専用の回路が無い状態からでも発電して電力を供給することが可能になる。

さらに、発電機の起動の為の外部電源やバッテリー、起動専用の回路が不要になるので、発電設備の設置、運用、保守を簡素化して、これらに関わる費用と作業を軽減することができる。とりわけ小規模な水車や風車などの分散電源設備については、設置、運用、保守が簡素化されることで、規模が小さい事業者でも発電設備を導入することが容易になる。

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態について説明する。なお、以下の各実施形態において、第１の実施形態で説明した部分と同一の部分の詳細な説明は省略する。
図４は、第２の実施形態における発電機制御装置の構成例を示す図である。
図５は、第２の実施形態における発電機制御装置のインバータ回路および制御回路の機能構成例を示すブロック図である。
図６は、第２の実施形態における発電機制御装置による開閉器の制御について表形式で示す図である。
図４に示すように、第２の実施形態では、発電機制御装置１は、第１の実施形態で説明した構成に加えて、変圧器用開閉器１０と、変圧器１２と、コンバータ（ＣＯＮＶ）回路１３とをさらに有する。

第２の実施形態では、交流回路３から直流回路８にかけて、変圧器用開閉器１０、変圧器１２、コンバータ回路１３の順で電気的に接続される直列回路がインバータ回路４に電気的に並列に接続されて設けられる。変圧器１２は、インバータ回路４に並列に電気的に接続されて、永久磁石発電機２から交流回路３に出力された交流電圧を変圧する。

変圧器用開閉器１０は、変圧器１２と永久磁石発電機２との間の電気的な接続の有無を切り替える為の開閉器である。変圧器用開閉器１０は、無電源時、つまり発電機制御装置１に電源が供給されていないときに開放されているとする。この直列回路内での変圧器用開閉器１０を設ける箇所は特に限定されない。

図５に示すように、第２の実施形態では、制御回路５は、第１の実施形態で説明した制御開始判定部５ａ、制御開始指令部５ｂ、制御演算部５ｃに加えて、変圧器投入指令部５ｄと、変圧器開放指令部５ｅとをさらに有する。

出力制御を開始できるとの判定が制御開始判定部５ａによりなされないときに、変圧器投入指令部５ｄは、変圧器用開閉器１０が開放中であるか否かを例えば変圧器用開閉器１０に連動する接点を有する検出回路（図示せず）により検出する。変圧器投入指令部５ｄは、変圧器用開閉器１０が開放中であることを検出したときは、この変圧器用開閉器１０を投入するための変圧器用開閉信号１１を送る。この信号を送るのは、直流部電圧を高めるためである。
また、変圧器用開閉器１０が開放中である間に、変圧器用開閉器１０を開放するための変圧器用開閉信号１１が変圧器投入指令部５ｄから出力されている場合には、変圧器投入指令部５ｄは、この変圧器用開閉信号１１が送られているか否かにより変圧器用開閉器１０が開放中であるか否かを検出しても良い。

また、出力制御を開始できるとの判定が制御開始判定部５ａなされたときに、変圧器開放指令部５ｅは、変圧器用開閉器１０が投入中であるか否かを例えば変圧器用開閉器１０に連動する接点を有する検出回路（図示せず）により検出する。このとき、変圧器開放指令部５ｅは、変圧器用開閉器１０が投入中であることを検出したときは、直流部電圧を高めることを中止するために、この変圧器用開閉器１０を開放するための変圧器用開閉信号１１を送る。
また、変圧器用開閉器１０が投入中である間に、変圧器用開閉器１０を投入するための変圧器用開閉信号１１が変圧器開放指令部５ｅから出力されている場合には、変圧器開放指令部５ｅは、この変圧器用開閉信号１１が送られているか否かにより変圧器用開閉器１０が投入中であるか否かを検出しても良い。

永久磁石発電機２が回転を与えられたときに、この永久磁石発電機２の回転数が低いと発電機端子に発生する電圧も低い。この場合、インバータ回路４を通してコンデンサ７が充電されても直流部電圧はインバータ制御が開始可能な値にならない。

この場合は、制御回路５は、「閉」の変圧器用開閉信号１１を送って変圧器用開閉器１０を投入する。変圧器用開閉器１０が投入されると交流回路３の電圧が変圧器１２で昇圧されて、この昇圧された交流電圧がコンバータ回路１３により直流電圧に変換されて直流回路８に供給される。これにより、直流部電圧を高めることができる。

このように、第２の実施形態では、永久磁石発電機２の回転数が低い場合でも、直流部電圧をインバータ制御が開始可能な値まで高めてインバータ制御を開始することができる。以下、このように変圧器用開閉器１０を投入して直流部電圧を高めてブラックスタートを行うことを昇圧起動と称する。また、第１の実施形態のように変圧器用開閉器１０を用いずにブラックスタートを行う事を通常起動と称する。

インバータ制御を開始すると、発電出力９の制御により直流部電圧を一定以上に保つことができるので、直流部電圧を高めることを中止するために、制御回路５は、「開」の変圧器用開閉信号１１を送って変圧器用開閉器１０を開放する。

このように、永久磁石発電機２に与えられる回転数が低く、発生する発電機端子電圧では直流部電圧がインバータ制御の開始可能な値未満である場合でも、変圧器用開閉器１０を投入して直流部電圧を高めてインバータ制御を開始することで、適切に制御された発電出力９を得ることができる。

図７は、第２の実施形態における発電機制御装置の動作手順の一例を示すフローチャートである。
まず、第１の実施形態で説明したステップＳ１からＳ３までの、発電機端子での電圧発生、電源供給、整流、コンデンサ充電がなされた上で、制御開始判定部５ａが、直流部電圧の値が発電機制御を開始可能な所定の範囲内であると判定していないときは（ステップＳ２０のＮＯ）、変圧器用開閉器１０は発電機制御装置１の初期状態（無電源時）では開放しているので、直流部電圧の値は、発電機制御を開始可能な範囲より低い事を意味する。このとき、変圧器投入指令部５ｄは、変圧器用開閉器１０に「閉」の変圧器用開閉信号１１を送って変圧器用開閉器１０を投入する（ステップＳ２１）。

これにより、直流部電圧が昇圧して（ステップＳ２２）、発電機制御可能な範囲内になったことを制御開始判定部５ａにより判定すると（ステップＳ２３）、制御開始指令部５ｂは、インバータ制御開始指令を制御演算部５ｃに送る（ステップＳ５）。

Ｓ５の後、変圧器用開閉器１０が投入されていれば（ステップＳ２５のＹＥＳ）、変圧器開放指令部５ｅは、変圧器用開閉器１０に「開」の変圧器用開閉信号１１を送って変圧器用開閉器１０を開放する（ステップＳ２６）。

Ｓ２６による開放がなされたときは、第１の実施形態で説明したＳ６としての発電機制御開始およびＳ７としての整流および発電出力がなされる。直流部電圧の値が発電機制御を開始可能な所定の範囲内であると制御開始判定部５ａが判定しており（ステップＳ２０のＹＥＳ）、Ｓ５の後で変圧器用開閉器１０が投入されていないとき（ステップＳ２５のＮＯ）も同様である。

このように、第２の実施形態によれば、インバータ制御のための直流部電圧が不足する場合は昇圧起動を行う。この昇圧起動を行うことで、広い範囲の発電機回転数でブラックスタートを行って発電出力９を制御することが可能な発電機制御装置を得ることができる。

（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態について説明する。
図８は、第３の実施形態における発電機制御装置の構成例を示す図である。
図９は、第３の実施形態における発電機制御装置のインバータ回路および制御回路の機能構成例を示すブロック図である。
図１０は、第３の実施形態における発電機制御装置による開閉器の制御について表形式で示す図である。
図８に示すように、第３の実施形態では、発電機制御装置１は、第２の実施形態で説明した変圧器用開閉器１０に替えて変圧器用開閉器１０ｂを有する。この変圧器用開閉器１０ｂは、無電源時、つまり永久磁石発電機２からの電力供給が停止しているときは接点が閉となる。これにより、永久磁石発電機２が回転を与えられて発電機端子電圧が発生する前から、直流部電圧は発電機制御可能な所定の範囲内もしくは範囲の上限より高くなっているとする。

第３の実施形態では、制御回路５は、第１の実施形態で説明した制御開始判定部５ａ、制御開始指令部５ｂ、制御演算部５ｃに加えて、変圧器開放指令部５ｆを有する。
変圧器用開閉器１０ｂが投入中の状態において、出力制御を開始できると制御開始判定部５ａが判定していない場合において、変圧器開放指令部５ｆは、変圧器用開閉器１０ｂを開放するための変圧器用開閉信号１１を送る。
また、出力制御を開始できると制御開始判定部５ａが判定した場合においても、変圧器開放指令部５ｆは、変圧器用開閉器１０ｂを開放するための変圧器用開閉信号１１を送る。

このように構成された第３の実施形態において、永久磁石発電機２が回転を与えられて発電機端子電圧が発生すると、無電源時は閉である変圧器用開閉器１０ｂが開放されて交流が流れるようになる。これにより、交流電圧は変圧器１２で昇圧されてコンバータ回路１３で直流に変換されて、コンデンサ７を充電する。このとき昇圧により高められた直流部電圧はインバータ回路４と制御回路５に電源として供給される。

コンデンサ７が充電されて直流部電圧がインバータ制御できる値になると、制御回路５は、インバータ制御を開始する。
インバータ制御を開始した場合、またはインバータ制御をしていないが直流部電圧が十分高くなって発電機制御可能な所定の範囲内となった場合は、直流部電圧の昇圧を中止するために、制御回路は「開」の変圧器用開閉信号１１を送って変圧器用開閉器１０ｂを開放する。

前述した第２の実施形態のように無電源時に開となる変圧器用開閉器１０を有する構成では、永久磁石発電機２の発電機端子電圧で発生して制御回路５に供給される電圧がインバータ制御を実行するのに必要な電圧より不足する場合、インバータ制御を行うための制御信号６や昇圧起動のための変圧器用開閉信号１１を送ることができない。このため、ブラックスタートを行うことができない。

これに対して、第３の実施形態の構成では直流部電圧を予め高めておくので、永久磁石発電機２の回転で発生する発電機端子電圧が低い場合でもブラックスタートを行うことができる。

図１１は、第３の実施形態における発電機制御装置の動作手順の一例を示すフローチャートである。
まず、第１の実施形態で説明したステップＳ１からＳ３までの発電機端子での電圧発生、電源供給、整流、コンデンサ充電がなされた上で、制御開始判定部５ａが、直流部電圧の値が発電機制御を開始可能な所定の範囲内であると判定していないときは（ステップＳ２０のＮＯ）、変圧器用開閉器１０ｂは発電機制御装置１の初期状態（無電源時）では投入されているので、直流部電圧の値が発電機制御を開始可能な範囲より高い事を意味する。このとき、変圧器開放指令部５ｆは、変圧器用開閉器１０に「開」の変圧器用開閉信号１１を送って変圧器用開閉器１０ｂを投入する（ステップＳ３２）。

これにより、直流部電圧が降圧して（ステップＳ３３）、発電機制御可能な範囲内になったことを制御開始判定部５ａにより判定すると（ステップＳ３４）、制御開始指令部５ｂは、インバータ制御開始指令を制御演算部５ｃに送る（ステップＳ５）。

Ｓ５の後、変圧器用開閉器１０が投入されていれば（ステップＳ３５のＹＥＳ）、変圧器開放指令部５ｆは、変圧器用開閉器１０に「開」の変圧器用開閉信号１１を送って変圧器用開閉器１０を開放する（ステップＳ３６）。

Ｓ３６による開放がなされたときは、第１の実施形態で説明したＳ６としての発電機制御開始およびＳ７としての整流および発電出力がなされる。直流部電圧の値が発電機制御を開始可能な所定の範囲内であると制御開始判定部５ａが判定しており（ステップＳ２０のＹＥＳ）、Ｓ５の後で変圧器用開閉器１０が投入されていないとき（ステップＳ３５のＮＯ）も同様である。

このように、第３の実施形態によれば、直流部電圧を予め高めた上で、永久磁石発電機２の回転による発電からインバータ制御を行う。また、直流部電圧が発電機制御を開始可能な範囲内であれば、通常起動によりインバータ制御を行う。これにより、第２の実施形態と同様に、広い範囲の発電機回転数でブラックスタートを行って発電出力９を制御することが可能な発電機制御装置を得ることができる。

このように、発電機制御装置１が突入電流を抑制するための抵抗を設ける構成は第３の実施形態に適用しても良い。この場合、発電機制御装置１を無電源時に戻した際に変圧器用開閉器１０ｂを投入した際にコンバータ回路１３などに突入電流が流れても、これを抑制できる。

（第４の実施形態）
次に、第４の実施形態について説明する。
図１２は、第４の実施形態における発電機制御装置の構成例を示す図である。
図１２に示すように、第４の実施形態では、発電機制御装置１は、第２の実施形態で説明した構成に加えて昇圧回路制限抵抗１４をさらに有する。
図１２に示した例では、昇圧起動の際にコンデンサ７を充電する回路としての、交流回路３、変圧器用開閉器１０、変圧器１２、コンバータ回路１３、直流回路８から構成される昇圧回路の途中に昇圧回路制限抵抗１４が設けられる。図１２に示した例では、昇圧回路制限抵抗１４は、第２の実施形態で説明した昇圧回路のコンバータ回路１３と直流回路８との間に設けられている。このように発電機制御装置１が昇圧回路制限抵抗１４を設ける構成は、第３の実施形態に適用しても良い。

このように構成された第４の実施形態において、永久磁石発電機２による発電量が低いときにブラックスタートを行うための昇圧起動を行うことで永久磁石発電機２の出力制御を開始する場合、この開始に伴って昇圧回路に突入電流が発生しても、この突入電流は昇圧回路制限抵抗１４により抑制される。

このため、昇圧回路制限抵抗１４が昇圧回路に設けられる場合は、この昇圧回路制限抵抗１４が無い場合と比べて、昇圧回路に過大な突入電流が流れることによる事故を抑制して、安定した昇圧起動を行うことができる。

第４の実施形態によれば、永久磁石発電機２の回転による発電に基づいて、通常起動を行うか、または突入電流を抑制した昇圧起動を行うことで、広い範囲の発電機回転数で安定したブラックスタートを行なうことができる。よって、発電出力９を適切に制御することが可能な発電機制御装置を得ることができる。

（第５の実施形態）
次に、第５の実施形態について説明する。
図１３は、第５の実施形態における発電機制御装置の構成例を示す図である。
図１４は、第５の実施形態における発電機制御装置による開閉器の制御について表形式で示す図である。
第５の実施形態では、発電機制御装置１は、起動用開閉器１５を有して構成される。図１３に示した例では、第４の実施形態で説明した構成に加えて、インバータ回路４や昇圧回路の変圧器用開閉器１０からみた、交流回路３と永久磁石発電機２との間に、この永久磁石発電機２と交流回路３との間の電気的な接続の有無を切り替えるための起動用開閉器１５が設けられる。このように発電機制御装置１が起動用開閉器１５を設ける構成は、第１から第３の実施形態に適用しても良い。

このように構成された第５の実施形態において、起動用開閉器１５は手動または自動で操作される。
起動用開閉器１５が開放されているときは、交流回路３に電圧は加わらない。この場合はインバータ回路４や制御回路５に電源が供給されないのでインバータ制御は行われず、発電出力９としての電力も出力されない。

また、起動用開閉器１５を投入したときは、永久磁石発電機２が発電していれば、交流回路３に電圧が加わってインバータ回路４に制御回路５に電源が供給され、インバータ制御が開始される。
つまり、第５の実施形態では、起動用開閉器１５を操作することで、発電機制御装置１の起動と停止を操作することができる。

永久磁石発電機２が、水車や風車などの自然エネルギーによる原動機で回転する場合は、インバータ制御を開始していない場合でも環境条件に応じて発電を行う。このため、環境条件に応じた発電でインバータ制御を開始してしまう可能性がある。これに対し、第５の実施形態では、起動用開閉器１５を開放することで発電機制御装置１を確実に停止することができるので、不必要にインバータ制御が開始されることがない。

また、発電機制御装置１を任意のタイミングで起動したい場合、永久磁石発電機２の回転による発電が十分であれば、開放されていた起動用開閉器１５を投入することで、この投入したときのタイミングに合わせて発電機制御装置１を起動することができる。

図１５は、第５の実施形態における発電機制御装置の動作手順の一例を示すフローチャートである。
初期状態では、起動用開閉器１５は開放されているとする。この状態で、永久磁石発電機２の回転による発電が行われていることを条件として起動用開閉器１５が投入されると（ステップＳ５１）、第２の実施形態で説明したステップＳ１以降の動作に移る。そして、Ｓ７による発電出力後に、発電出力９を停止する必要があるときは起動用開閉器１５を開放すればよい。

このように、第５の実施形態によれば、永久磁石発電機２の回転による発電が行われている場合に起動用開閉器１５を投入することによりブラックスタートを行って発電出力９を制御することが可能である発電機制御装置を得ることができる。また、インバータ制御中に起動用開閉器１５を開放することにより発電出力９を停止することが可能な発電機制御装置を得ることができる。

（第６の実施形態）
次に、第６の実施形態について説明する。
図１６は、第６の実施形態における発電機制御装置の構成例を示す図である。
図１７は、第６の実施形態における発電機制御装置のインバータ回路および制御回路の機能構成例を示すブロック図である。
図１８は、第６の実施形態における発電機制御装置による開閉器の制御について表形式で示す図である。
図１６に示すように、第６の実施形態では、発電機制御装置１は、交流入力制限抵抗１６と、交流入力開閉器１７とをさらに有する。図１６では、第５の実施形態で説明した構成に加えて、交流入力制限抵抗１６と、交流入力開閉器１７とを有する例を示す。

交流入力制限抵抗１６と交流入力開閉器１７とは並列回路を構成する。この回路は、インバータ回路４における交流回路側に設けられる。このように発電機制御装置１が交流入力制限抵抗１６と交流入力開閉器１７とを設けた構成は、第１から第４の実施形態に適用しても良い。

図１７に示すように、第６の実施形態では、インバータ回路４は、第２の実施形態で説明した電気量検出部４ａに加えて、交流入力検出部４ｂをさらに有する。
この交流入力検出部４ｂは、交流入力において、変動の大きい過渡的な電流が流れているか、定常的な電流が流れているか、または電流が流れていないかを検出する。

また、図１７に示すように、制御回路５は、第２の実施形態で説明した制御開始判定部５ａ、制御開始指令部５ｂ、制御演算部５ｃ、変圧器投入指令部５ｄ、変圧器開放指令部５ｅに加えて、交流入力投入指令部５ｇをさらに有する。
この交流入力投入指令部５ｇは、交流入力に定常的な電流が流れるようになったときに、交流入力開閉器１７を投入するための交流入力開閉信号１８を送る。

このように構成された第６の実施形態において、永久磁石発電機２の回転による発電が行われているときで、開放状態にある起動用開閉器１５を投入した場合に交流回路３に発生する突入電流は交流入力制限抵抗１６により抑制される。

また、起動用開閉器１５が投入状態のときに、停止していた永久磁石発電機２が回転し始めて発電を開始した場合に交流回路３に発生する突入電流も交流入力制限抵抗１６により抑制される。

このため、交流入力制限抵抗１６がある場合は、この交流入力制限抵抗１６が無い場合と比べて、交流回路３に過大な突入電流が流れることによる事故を抑制することができる。

ところで、交流入力制限抵抗１６に電流が流れると電力の損失が生ずる。つまり、インバータ制御を行っているときは交流入力制限抵抗１６に流れる電流を少なくした方が発電出力９を大きくすることができる。

そこで、発電機制御開始後に交流入力に定常的な電流が流れる様になったときに、制御回路５の交流入力投入指令部５ｇから「閉」の交流入力開閉信号１８を送って交流入力開閉器１７を投入する。

これにより、交流入力は、交流入力制限抵抗１６と交流入力開閉器１７とでなる並列回路のうち、抵抗値の低い交流入力開閉器１７側に多く流れる。これにより、交流入力制限抵抗１６に流れる電流が少なくなるので、交流入力制限抵抗１６による電力の損失を抑えた上でインバータ制御を実行することが可能になる。

図１９は、第６の実施形態における発電機制御装置の動作手順の一例を示すフローチャートである。
まず、第５の実施形態で説明したステップＳ５１としての起動用開閉器１５の投入を起点として、第５の実施形態で説明したＳ６としての発電機制御開始後において、インバータ回路４の交流入力検出部４ｂは、交流入力において、変動の大きい過渡的な電流が流れているか、定常的な電流が流れているか、または電流が流れていないかを検出し、この検出結果を制御回路５の交流入力投入指令部５ｇに送る（ステップＳ６１）。

制御回路５の交流入力投入指令部５ｇは、交流入力検出部４ｂからの検出結果が、交流入力において定常的な電流が流れていることを示す場合には（ステップ６２のＹＥＳ）、交流入力開閉器１７を投入する（ステップＳ６３）。これにより、交流入力は、交流入力制限抵抗１６と交流入力開閉器１７とでなる並列回路のうち抵抗値の低い交流入力開閉器１７側の回路に多く流れるようになる。これにより、電力の消費を抑えた上で、第５の実施形態で説明したステップＳ７としての整流および発電出力がなされる。

このように、第６の実施形態によれば、発電機の起動時の突入電流を抑制して、安定したブラックスタートを行って発電出力９を制御することが可能な発電機制御装置を得ることができる。

（第７の実施形態）
次に、第７の実施形態について説明する。
図２０は、第７の実施形態における発電機制御装置の構成例を示す図である。
図２１は、第７の実施形態における発電機制御装置のインバータ回路および制御回路の機能構成例を示すブロック図である。
図２２は、第７の実施形態における発電機制御装置による開閉器の制御について表形式で示す図である。
図２０に示すように、第７の実施形態では、発電機制御装置１は、直流出力開閉器１９をさらに有する。
図２０に示した例では、第６の実施形態で説明した構成における昇圧回路制限抵抗１４やコンデンサ７からみた直流回路８に直流出力開閉器１９が設けられる。直流出力開閉器１９は、直流出力先との間の電気的な接続の有無を切り替えるための開閉器である。このように発電機制御装置１が直流出力開閉器１９を有する構成は、第１から第５の実施形態に適用しても良い。

図２１に示すように、制御回路５は、第６の実施形態で説明した制御開始判定部５ａ、制御開始指令部５ｂ、制御演算部５ｃ、変圧器投入指令部５ｄ、変圧器開放指令部５ｅ、交流入力投入指令部５ｇに加えて、直流出力制御部５ｈをさらに有する。
この直流出力制御部５ｈは、直流出力開閉器１９の開閉のための直流出力開閉信号２０を出力する。

このように構成された第７実施形態において、インバータ制御が開始できるようになるまで直流出力開閉器１９は開放されている。インバータ制御が開始できるようになったら、制御回路５の直流出力制御部５ｈから「閉」の直流出力開閉信号２０を送り、直流出力開閉器１９を投入する。

これにより、インバータ制御が開始されるまでは直流出力開閉器１９を開放しておくことができるので、発電出力９の出力先の回路や負荷などの構成に影響されることなく発電機のブラックスタートを行うことができる。

また、インバータ制御が開始できるようになって直流出力開閉器１９が投入された後で、異常状態が検出されるなどして発電出力を停止する必要がある場合は、制御回路５の直流出力制御部５ｈから「開」の直流出力開閉信号２０を送り、直流出力開閉器１９を開放することで発電出力９を停止することができる。

図２３は、第７の実施形態における発電機制御装置の動作手順の一例を示すフローチャートである。
まず、第５の実施形態で説明したステップＳ５１としての起動用開閉器１５の投入を起点として、Ｓ６としての発電機制御開始後において、制御回路５の直流出力制御部５ｈから「閉」の直流出力開閉信号２０を送り、直流出力開閉器１９を投入する（ステッＳ７１）。そして、第６の実施形態で説明したステップＳ６１からＳ６３としての交流入力開閉器１７の投入を経て、ステップＳ７としての整流および発電出力がなされる。

このように、第７の実施形態によれば、発電出力９の出力先の構成に影響されることなく、永久磁石発電機２の回転による発電からブラックスタートを行って発電出力９を制御又は停止することが可能な発電機制御装置を得ることができる。

（第８の実施形態）
次に、第８の実施形態について説明する。
図２４は、第８の実施形態における発電機制御装置の構成例を示す図である。
図２５は、第８の実施形態における発電機制御装置の発電出力用インバータ回路および発電出力用制御回路の機能構成例を示すブロック図である。
図２４に示すように、第８の実施形態では、発電機制御装置１は、第７の実施形態で説明した構成に加えて、発電出力用インバータ回路２１と、発電出力用制御回路２２とをさらに有する。この発電出力用制御回路２２は発電出力用インバータ回路２１に電気的に接続される。発電出力用インバータ回路２１に電源が供給された場合は、この電源が発電出力用制御回路２２にも供給される。

第７の実施形態で説明した構成では、直流出力開閉器１９の一端が直流回路８に電気的に接続される。これに対し、図２４に示した構成では、この直流出力開閉器１９の他端には発電出力用インバータ回路２１の直流側が電気的に接続される。

発電出力用インバータ回路２１は、直流から交流への変換が可能な素子を有する。発電出力用インバータ回路２１の交流側からの出力は、発電出力９として外部に出力される。このように発電機制御装置１が発電出力用インバータ回路２１および発電出力用制御回路２２を有する構成は、第１から第６の実施形態に適用しても良い。

図２５に示すように、第８の実施形態では、発電出力用インバータ回路２１は、発電出力用電気量検出部２１ａを有する。この発電出力用電気量検出部２１ａは、発電出力用インバータ回路２１を通過する交流の電気量を検出する。

また、図２５に示すように、発電出力用制御回路２２は発電出力用制御演算部２２ａを有する。発電出力用インバータ回路２１の発電出力用電気量検出部２１ａは、発電出力用制御回路２２が有するようにしても良い。

発電出力用制御演算部２２ａは、発電出力用インバータ回路２１で生成する交流の電気量を、所定の電気量、例えば商用電源相当の電気量に制御するために、発電出力用電気量検出部２１ａにより検出される交流の電気量を取得する。そして、発電出力用制御演算部２２ａは、この取得した電気量に基づいて、発電出力用インバータ回路２１で生成する交流の電気量の条件を演算する。発電出力用制御演算部２２ａは、この演算結果に基づいて、発電出力用インバータ回路２１で生成する交流を商用電源相当に制御するための発電出力用制御信号２３を発電出力用インバータ回路２１に送る。

このように構成された第８の実施形態において、インバータ制御を行うと、直流回路８に発生する直流により発電出力用インバータ回路２１と発電出力用制御回路２２に電源が供給される。

発電出力用制御回路２２から発電出力用制御信号２３を送って発電出力用インバータ回路２１の素子のスイッチングを制御すると、発電出力用制御信号２３に応じた交流を生成することができる。これにより、発電出力９としての交流の電力を得ることができる。

発電出力用インバータ回路２１で生成する交流の周波数や電圧が商用電源相当になるように発電出力用制御信号２３を送ると、商用電源相当に制御された発電出力９を得ることができる。これにより、発電出力９を商用電源で動作する機器に電力として供給して動作させることができる。
図２６は、第８の実施形態における発電機制御装置の動作手順の一例を示すフローチャートである。
まず、第５の実施形態で説明したステップＳ５１としての起動用開閉器１５の投入を起点として、ステップＳ７としての整流および発電出力がなされると、直流回路８から発電出力用インバータ回路２１と発電出力用制御回路２２に電源が供給される（ステップＳ８１）。

すると、発電出力用制御回路２２の発電出力用制御演算部２２ａは、発電出力用インバータ回路２１の発電出力用電気量検出部２１ａにより検出された交流の電気量を取得する。発電出力用制御演算部２２ａは、この取得した電気量に基づいて、発電出力用インバータ回路２１で生成する交流を商用電源相当に制御するための、発電出力用インバータ回路２１で生成する交流の電気量の条件の演算を行なう。発電出力用制御演算部２２ａは、この演算結果に基づいて、交流を商用電源相当に制御するための発電出力用制御信号２３を発電出力用インバータ回路２１に送る（ステップＳ８２）。

このように、第８の実施形態によれば、永久磁石発電機２の回転による発電からブラックスタートを行って、交流の発電出力９を制御することが可能な発電機制御装置を得ることができる。

（第９の実施形態）
次に、第９の実施形態について説明する。
図２７は、第９の実施形態における発電機制御装置の構成例を示す図である。
図２８は、第９の実施形態における発電機制御装置の発電出力用インバータ回路および発電出力用制御回路の機能構成例を示すブロック図である。
図２７に示すように、第９の実施形態では、発電機制御装置１は、第７の実施形態で説明した構成に加えて、発電出力用インバータ回路２１−２と、発電出力用制御回路２２−２と、系統連系開閉器２４と、商用電源系統２５をさらに有する。この発電出力用制御回路２２−２は発電出力用インバータ回路２１−２に電気的に接続される。発電出力用インバータ回路２１−２に電源が供給された場合は、この電源が発電出力用制御回路２２−２にも供給される。このように構成された第９実施形態において、直流回路８における出力端は、発電出力用インバータ回路２１−２の直流側端子、交流側端子、系統連系開閉器２４を経由して商用電源系統２５に電気的に接続される。

図２８に示すように、第９の実施形態では、発電出力用インバータ回路２１−２は系統電気量検出部２１−２ａを有する。この系統電気量検出部２１−２ａは、系統連系開閉器２４が投入されて発電出力用インバータ回路２１−２が商用電源系統２５と繋がったときの交流の電気量を検出する。

発電出力用制御回路２２−２は、系統連系演算部２２−２ａを有する。発電出力用インバータ回路２１−２の系統電気量検出部２１−２ａは、発電出力用制御回路２２−２が有するようにしても良い。

発電出力用制御回路２２−２の系統連系演算部２２−２ａは、発電出力用インバータ回路２１−２の系統電気量検出部２１−２ａにより検出された交流の電気量を取得する。系統連系演算部２２−２ａは、この取得した電気量に基づいて、発電出力用インバータ回路２１−２で生成する交流を商用電源系統２５の交流と同期させるように制御するための、発電出力用インバータ回路２１−２で生成する交流の電気量の条件の演算を行なう。系統連系演算部２２−２ａは、この演算結果に基づいて、発電出力用インバータ回路２１−２で生成する交流を商用電源系統２５の交流と同期させるための発電出力用制御信号２３−２を発電出力用インバータ回路２１−２に送る。
このように構成された第９の実施形態において、インバータ制御を行うと、直流回路８に発生する直流により発電出力用インバータ回路２１−２と発電出力用制御回路２２−２に電源が供給される。

発電出力用制御回路２２−２から発電出力用制御信号２３−２を送って発電出力用インバータ回路２１−２の素子のスイッチングを制御すると、発電出力用制御信号２３−２に応じた交流を生成することができる。これにより、発電出力９としての交流の電力を得ることができる。

系統連系開閉器２４が投入されたとき、発電出力９としての交流が商用電源系統２５の交流と同期するように、発電出力用制御回路２２−２から発電出力用制御信号２３−２を発電出力用インバータ回路２１−２に送る。これにより商用電源系統２５と同期した発電出力９を得ることができ、商用電源系統２５に対して系統連系を行って電力を供給することができる。

図２９は、第９の実施形態における発電機制御装置の動作手順の一例を示すフローチャートである。
まず、第５の実施形態で説明したステップＳ５１としての起動用開閉器１５の投入を起点として、ステップＳ７としての整流および発電出力がなされると、直流回路８から発電出力用インバータ回路２１−２と発電出力用制御回路２２−２に電源が供給される（ステップＳ９１）。

そして、系統連系開閉器２４が手動または自動により投入されると（ステップＳ９２）、発電出力用制御回路２２−２の系統連系演算部２２−２ａは、系統電気量検出部２１−２ａにより検出された交流の電気量を取得する。系統連系演算部２２−２ａは、この取得した電気量に基づいて、発電出力用インバータ回路２１−２で生成する交流を商用電源系統２５に同期させるための、発電出力用インバータ回路２１−２で生成する交流の電気量の条件の演算を行なう。系統連系演算部２２−２ａは、この演算結果に基づいて、交流を商用電源系統２５に同期させるための発電出力用制御信号２３−２を発電出力用インバータ回路２１−２に送る（ステップＳ９３）。

第９の実施形態によれば、永久磁石発電機２の回転による発電からブラックスタートを行って商用電源系統２５に連系した発電出力９を制御することが可能な発電機制御装置を得ることができる。

なお、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…発電機制御装置、２…永久磁石発電機、３…交流回路、４…インバータ回路、５…制御回路、６…制御信号、７…コンデンサ、８…直流回路、９…発電出力、１０，１０ｂ…変圧器用開閉器、１１…変圧器用開閉信号、１２…変圧器、１３…コンバータ回路、１４…昇圧回路制限抵抗、１５…起動用開閉器、１６…交流入力制限抵抗、１７…交流入力開閉器、１８…交流入力開閉信号、１９…直流出力開閉器、２０…直流出力開閉信号、２１，２１−２…発電出力用インバータ回路、２２，２２−２…発電出力用制御回路、２３，２３−２…発電出力用制御信号、２４…系統連系開閉器、２５…商用電源系統。

Claims (6)

1. 交流電圧を出力する永久磁石発電機に電気的に接続されるインバータ回路、および前記インバータ回路に電気的に接続される制御回路を備える発電機制御装置であって、
   前記インバータ回路および制御回路は、
   回転駆動した前記永久磁石発電機から電源を供給され、
   前記制御回路は、
   前記回転駆動した永久磁石発電機から前記インバータ回路に供給される電気量に基づいて、前記永久磁石発電機の出力制御が開始可能か否かを判定する制御開始判定手段と、
   前記出力制御が開始可能であると前記制御開始判定手段により判定したときに、前記永久磁石発電機の出力制御のための前記インバータ回路で生成する交流の電気量を演算する制御演算手段とを有する
   ことを特徴とする発電機制御装置。
2. 前記インバータ回路に並列に電気的に接続されて、前記永久磁石発電機から出力された交流電圧を変圧する変圧器と、
   前記変圧器と前記永久磁石発電機との間の電気的な接続の有無を切り替える為の変圧器用開閉器と、
   前記変圧器に直列に電気的に接続されて、前記変圧器により変圧された交流電圧を直流電圧に変換するコンバータ回路とをさらに備え、
   前記制御回路は、
   前記出力制御が開始可能であると前記制御開始判定手段により判定していないときに前記変圧器用開閉器が開放中であれば、この変圧器用開閉器の投入指令を送る変圧器投入指令手段と、
   前記出力制御が開始可能であると前記制御開始判定手段により判定したときに前記変圧器用開閉器が投入中であれば、この変圧器用開閉器を開放する指令を送る変圧器開放指令手段とをさらに有する
   ことを特徴とする請求項１に記載の発電機制御装置。
3. 前記インバータ回路に並列に電気的に接続されて、前記永久磁石発電機から出力された交流電圧を変圧する変圧器と、
   前記変圧器に直列に電気的に接続されて、前記永久磁石発電機から前記インバータ回路への電気量の供給がなされる前から投入され、前記変圧器と前記永久磁石発電機との間の電気的な接続の有無を切り替える為の変圧器用開閉器と、
   前記変圧器に直列に電気的に接続されて、前記変圧器により変圧された交流電圧を直流電圧に変換するコンバータ回路とをさらに備え、
   前記制御回路は、
   前記出力制御が開始可能であると前記制御開始判定手段により判定していないときに前記変圧器用開閉器が投入中であれば、この変圧器用開閉器を開放する指令を送る第１の変圧器開放指令手段と、
   前記出力制御が開始可能であると前記制御開始判定手段により判定したときに前記変圧器用開閉器が投入中であれば、この変圧器用開閉器を開放する指令を送る第２の変圧器開放指令手段とをさらに有する
   ことを特徴とする請求項１に記載の発電機制御装置。
4. 前記永久磁石発電機との間の電気的な接続の有無を切り替えるための起動用開閉器をさらに備えた
   ことを特徴とする請求項１に記載の発電機制御装置。
5. 前記インバータ回路からみた直流出力側に設けられる発電出力用インバータ回路をさらに備え、
   前記発電出力用インバータ回路は、
   前記回転駆動した永久磁石発電機から電源を供給され、
   前記制御回路は、
   所定の電気量の交流を前記発電出力用インバータ回路により生成するための制御信号を演算して前記発電出力用インバータ回路に出力する発電出力用制御演算手段をさらに有する
   ことを特徴とする請求項１に記載の発電機制御装置。
6. 交流電圧を出力する永久磁石発電機に電気的に接続されるインバータ回路、および前記インバータ回路に電気的に接続される制御回路を備える発電機制御装置に適用される発電制御方法であって、
   前記インバータ回路および前記制御回路が、回転駆動した前記永久磁石発電機から電源を供給され、
   前記制御回路が、前記回転駆動した永久磁石発電機から前記インバータ回路に供給される電気量に基づいて、前記永久磁石発電機の出力制御が開始可能か否かを判定し、
   前記制御回路が、前記出力制御が開始可能であると判定したときに、前記永久磁石発電機の出力制御のための前記インバータ回路で生成する交流の電気量を演算する
   ことを特徴とする発電制御方法。

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